开关磁阻电机调速系统技术分析与应用展望

袁佳宝

摘 要：开关磁阻电机调速系统是将控制技术、现代电力电子技术和开关型磁阻电机融合于一体的综合性系统，具有构成简洁、坚固、耐用、可靠等优点。基于此，本文首先介绍了开关磁阻电机调速系统的主要特点，然后对开关磁阻电机调速系统在不同领域的应用进行了分析与展望，阐明了该技术在各行业中的应用价值。

关键词：开关磁阻电机调速系统；技术分析；应用

中图分类号：TM352 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）07-0069-02

Technical Analysis and Application Prospect of Switched Reluctance

Motor Speed Control System

YUAN Jiabao

（China Airborne Missile Academy， Luoyang Henan 471000）

Abstract： Switched Reluctance Drive is a comprehensive system that integrates control technology， modern power electronics technology and switched reluctance motor. It has the advantages of simplicity， firmness， durability and reliability. Based on this， this paper first introduced the main characteristics of switched reluctance Drive， and then analyzed and prospects the application of switched reluctance motor speed regulation system in different fields， and illustrated the application value of the technology in various industries.

Keywords： Switched Reluctance Drive；technical analysis； application

1 开关磁阻电机调速系统的主要技术特点

1.1 系统具有高可靠性，电路简洁稳定

首先，由于磁阻电机的转矩方向与线圈电流方向无关，只需单方向绕组电流，故功率电路可以做到每相一个功率开关。其次，从控制器结构上看，各相电路各自给一相绕组供电，一般是独立工作的。系统在任何时候都可以缺相运行，容错能力较高。最后，整个开关磁阻电动机调速系统中每个功率开关元件与绕组的连接方式都是串联，直接避免了直通短路现象的出现，再次简化了保护电路，在保证工作可靠性的同时降低了成本。经济可靠的特点使其作为驱动系统、起动电机等适用于电动汽车产业、航空航天飞机领域等。

1.2 系统构成简单、经济性高，可在极限速度和复杂多变的环境下运行

定子方面，开关磁阻电机只有几个集中的绕组，线圈易于安装，端部短而牢固，因此，制造简便，绝缘结构简单，并且发热大部分在定子，易于冷却。转子方面，由于绕组没有嵌装在转子上，大大降低了生产成本，提高了机械强度，使其可用于极限速度运转（如10 000r/min）。

1.3 调速性能优异，可控参数多

控制开关磁阻电机系统的四种主要运行参数为：相关断角、相开通角、相绕组电压和相电流幅值。可控参数多就是说可以根据对电动机的运行要求和电动机的情况，采用不同控制方法和参数值，在实现各种运行要求和特定功能的同时，保证系统处于最佳运行状态（如效率最高、输出最大等）。

1.4 系统起动转矩高，起动电流低

更小的输入能带来更大的输出是该系统的一大亮点。例如，输入15%额定电流时起动转矩为100%的额定转矩；输入30%额定电流时起动转矩150%的额定值。故此，在大载荷起动，长时间低速高负载运行的环境（如载重机械，吊装设备等）中，该调速系统具有十分明显的优势。

1.5 效率高，损耗小

整个系统简洁灵活，电机转子无绕组铜损，电机的可控参数多等优异的性能使其在控制中转速范围大，承载能力强，是一种高效经济的调速系统[1]。

1.6 适用于频繁起停及正反向转换运行

系统起动转矩高、电流低，故大大减小了起動过程中电流过冲的可能，相较连续额定运行时，电动机和控制器发热更小。可控参数多，使其能在制动运行阶段同电动运行阶段一样具有优良的转矩输输出能力和工作特性。故此，在频繁起停及正反向转换运行（如次数1 000次/h）等条件下开关磁阻电机必然能胜任。

当然，开关磁阻电机调速系统也存在明显的不足：转矩震颤大、噪音明显。但是，随着各行业的设计、制造、控制等技术的进步，必然能将电机的转矩震颤及噪音问题控制在能够接受的范围内。

2 开关磁阻电机调速系统在不同领域的应用分析及展望

2.1 无位置传感器技术的研究

开关磁阻电机是位置闭环系统，但位置传感器是其重要组成部分，位置传感器的存在，使开关磁阻电机的整体设计更加复杂且运行可靠性降低。故此，最近几年，行业中涌现出了不少无位置传感器检测方案。其设计思路大体分为4类：①非导通相检测法，例如：单相脉冲激励法、两相脉冲激励法等；②导通相检测法，例如：磁链法、状态观测器检测法、电流波形检测法和相间互感检测法等；③附加元件检测法，例如：附加线圈检测法、附加电容检测法等；④基于智能控制检测法，例如：神经网络法、模糊控制法等。

2.2 现代理论在开关磁阻电机控制中的应用

目前，开关磁阻电机控制系统均基于简化的线性模型采用线性控制理论设计。但由于该电机的非线性特性，使其难以产生良好的系统性能。故此，全新的开关磁阻电机控制系统的研发及应用中将引入非线性控制理论。此外，如模糊控制、模糊控制与PI控制结合在一起的混合式调节、滑模控制、自适应控制、线性回馈控制以及人工神经网络控制等理论也在开关磁阻电机的控制中得到了应用。

2.3 全新开关磁阻电机数学模型的研究

要想提高电机的动态性能分析和电机效率评估、实现系统的优化设计，开关磁阻电机数学模型的精准描述与建立至关重要。目前，各种数学模型被提出，优先发展起来的磁链模型和先后建立起来的机电联系模型可分为三类：非线性模型、准线性模型和线性模型。鉴于非线性程度高的设计特点，开关磁阻电机需采用更加接近真实特性的非线性模型。Spong等学者提出了一种连续非线性模型，在反映开关磁阻电机实际的电磁特性中表现优异；Bortoff和Milman等学者也提出了一种非线性机电联系模型，并成功在自适应控制器的设计中得到应用[2]。

2.4 在特殊集成电路及微处理器上的应用

早期系统设计较为单一，以采用模拟电路控制为主，其实时性相对较差，故在后来发展中逐渐采用微机实现数字实时控制，使系统更加高效、可靠。在微机控制中，目前单片机的应用己从8位单片机发展到16位单片机，相信双16位或32位的单片机亦将于不久问世。硬件结构的简化、产品的模块化生产是行业发展趋势，故开关磁阻电机全系统集成化也是研究方向之一。

2.5 对转矩震颤抑制的研究

开关磁阻电机的转矩震颤大、噪音明显是其较为突出的缺点，研究如何抑制开关磁阻电机转矩震颤和噪音是提高其性能的重要议题之一。若想消除开关磁阻电机的转矩震颤，主要从两方面研究入手：电机控制和电机设计。控制方面，Wu CY等提出了“两步换相法”“混合激勵法”等方法。结构设计方面，多集中于极弧参数、气隙的合理选择，以及电机刚度、定子磁轭强度和双凸极形状的合理设计等[3]。最近几年，人工智能得到大力发展，能否将其融入到抑制转矩震颤中也是行业发展的一个重要研究方向。

3 结语

本文分析了开关磁阻电机调速系统的研究背景及意义，简单介绍了开关磁阻电机的发展史，概括分析了开关磁阻电机调速系统的主要特点、结构组成及研究方向。开关磁阻电动机调速系统是一门综合了电机学、电子学及控制理论等众多学科领域的技术，由于涉及领域广，开关磁阻电动机早已广泛应用于家电行业，航空航天业及智能控制等各个领域。随着对开关磁阻电动机认识的深入，其应用范围必将更为广泛。

参考文献：

[1]陈伯时.电力拖动自动控制系统[M].3版.北京：机械工业出版社，2003.

[2]王兆安.电力电子技术[M].北京：机械工业出版社，2000.

[3]谢卫才，黄守道，石安乐.开关磁阻电机调速系统发展动向[J].湖南工程学院学报（自然科学版），2004（4）：20-22.